Dynamics and Control of a Novel Wave-Augmented Floating Offshore Wind Turbine

新型波浪增强浮式海上风力发电机的动力学与控制

基本信息

  • 批准号:
    2323927
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 38.64万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2026-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This grant will fund research that enables innovation in the controlled use of combined aero- and hydrodynamic loading on floating offshore wind turbines to increase energy extraction and reduce platform mass -- resulting in a reduction in the levelized cost of electric power harvested for a key renewable energy generation technology -- thereby promoting the progress of science and advancing the national prosperity. To operate stably under extreme wind and wave conditions, floating offshore wind turbines are designed to be large and heavy. The floating platform alone occupies a significant portion of the overall capital expenditures. This project investigates a novel physical design and innovative control architecture that leverages the coupling between wind and wave power to allow stability requirements to be satisfied by a lighter floating platform, while also enhancing the energy-capturing efficiency. By integrating a wave-augmented control authority with the floating platform, the project aims to establish a foundational paradigm for leveraging wave power rather than mitigating its influence. An integrated outreach program for high school students and development of web-based resources on wind and wave energy for high school teachers aim to broaden participation in STEM, including to individuals from currently underrepresented groups.This research aims to develop the theoretical foundations for an innovative physical design and associated control logic that allows wave-driven pressure in closed-air chambers inside the foundation of a floating offshore wind turbine to both attenuate its motion and drive an auxiliary turbine. It accomplishes this outcome through a synergistic analytical, computational, and experimental study of the coupled hydro-, aero-, and thermodynamic behavior of the wave-augmented physical system, as well as the development of a control architecture rooted in sliding mode control, which ensures optimal performance also under environmental uncertainty. A robust aerodynamic time-domain load formulation is developed using a scaled-aeroelastic, boundary-layer wind-tunnel model of the turbine superstructure on a dynamic platform that simulates wave-induced base motion. System and control parameters are optimized concurrently using a stochastic search strategy.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
这笔赠款将资助研究,以在浮动海上风力涡轮机上控制使用气动和水动力联合载荷的受控使用方面进行创新,以增加能量提取并减少平台质量,从而降低关键可再生能源发电的平准化成本能源发电技术——从而推动科学进步,促进国家繁荣。为了在极端风浪条件下稳定运行,浮动式海上风力发电机被设计得又大又重。仅浮动平台就占据了总体资本支出的很大一部分。该项目研究了一种新颖的物理设计和创新的控制架构,利用风能和波浪能之间的耦合,使更轻的浮动平台能够满足稳定性要求,同时还提高了能量捕获效率。通过将波浪增强控制机构与浮动平台集成,该项目旨在建立一个利用波浪能而不是减轻其影响的基础范例。针对高中生的综合外展计划以及为高中教师开发风能和波浪能网络资源的目标是扩大对 STEM 的参与,包括来自目前代表性不足群体的个人。这项研究旨在为创新型研究奠定理论基础。物理设计和相关的控制逻辑允许浮动海上风力涡轮机基础内的闭气室中的波浪驱动压力既削弱其运动又驱动辅助涡轮机。它通过对波增强物理系统的耦合水力、空气和热力学行为的协同分析、计算和实验研究以及基于滑模控制的控制架构的开发来实现这一成果。在环境不确定的情况下也能确保最佳性能。在模拟波浪引起的基础运动的动态平台上,使用涡轮机上部结构的比例气动弹性边界层风洞模型开发了稳健的气动时域载荷公式。使用随机搜索策略同时优化系统和控制参数。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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